JP2014145871A - 回折光学素子を用いた撮像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学素子に高輝度光源の光や太陽光が入射した場合に発生する不要回折光を抑制することで、回折光学素子の収差補正効果を生かしたコンパクトで色収差が良好な撮像光学系を提供する。
【解決手段】凸格子と凹格子を密着させて、広い波長域で回折効率を高めた回折光学素子において、絞りより像面側に配置した場合には回折光学素子の光軸から全てまたは一部の格子を正のパワーの回折光学素子としたことを特徴とする。一方、絞りより前側に配置した場合には、回折光学素子の光軸から周辺に向かってパワーの符号が反転させたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、広い波長域において回折効率を高めた回折光学素子およびそれを用いた撮像光学系に関するものである。

従来、光学系の色収差を減じる方法として光学系の１部に回折作用を有する回折光学素子を設ける方法が知られている（非特許文献１）。

また、回折光学素子の形状としてはベースの形状に光路差関数で定義される位相項を付加した形状となっている。まず、ベースの形状としてはレンズの表面の形状であり、球面形状や非球面形状、平面形状であったりする。また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Cn、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(C1ｈ²＋C2ｈ⁴＋C3ｈ⁶＋…)×2π/λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表す。一例として曲率がRのレンズ表面に上記の光路差関数φ（ｈ）にて格子形状を付加する場合、光軸方向の位置をX、ｋを中心から数えた輪帯番号、ｄを格子高さとした時

で表される形状とすることで、回折作用を付加した回折レンズを作成することが可能である。即ち上記の式においては最初の2項はベース形状を示しており、第3項は光路差関数で位相項を付加した形状を示している。また、第2項については輪帯番号が変わる部分でｘの位置が不連続となっており、これにより格子形状が生じる。

回折光学素子を光学系中に用いるときには使用波長域全域において設計次数の光線の回折効率が十分高いことが必要になる。

回折効率が低いと、即ち設計次数以外の回折次数をもった光線が多く存在すると、これらの光線は、設計次数の光線とは別な所に結像するためフレア光となる。

図１８、図１９は従来の回折光学素子の説明図である。図１８において、１９２は回折格子の輪帯であり、格子の間隔（ピッチ）を変えることで光学的なパワーを与えることが出来る。また、図１９は第1の回折格子２０５と第2の回折格子２０６を空気を挟んで配置しており、この構成を取る事により広い波長域に対して高い回折効率を得る事が可能となっている。

図２０は積層型回折格子の説明図である２１１は第1の回折格子、２１２は第2の回折格子、２１３は空気層である。第1の回折格子２１１と第2回折格子２１２は分散の異なる材質からなり、本実施例の回折格子においては、第1の回折格子２１１に紫外線硬化樹脂１（nd=1.635,νd=23.0）、第2の回折格子２１２に紫外線硬化樹脂２(nd=1.524,νd=50.8)を用い、第1の回折格子２１１の格子高さｄ１は7.8μｍ、第2の回折格子２１２の格子高さｄ２は10.7μｍ、2つの格子間の空気層の厚みｄ３は1.0μｍである。又、格子ピッチは140μｍ、設計次数は１次である。

このタイプの回折光学素子において、９８％以上の高い回折効率を可視の波長域全域にて確保するためには、低屈折率材料について部分分散比θgFを通常の材料より小さな値（リニア異常分散性）とする必要がある。

回折効率を高めることは回折光学素子を使用した撮影光学系において高輝度点光源の撮影時に発生する輪帯状の不要回折光の低減に効果がある。一方、太陽光のような強い光が回折光学素子に直接入射することで発生するフレアについても様々な対策が提案されている。

例えば特許文献１では回折光学素子に高輝度光源の光や太陽光が入射した場合には不要回折光が発生し、この対策として光軸近傍のパワーの絶対値を最小とするように構成する方法が提案されている。具体的には回折光学素子のパワーを軸上から周辺に向けてパワーが反転しないように単調に変化させている。

また、特許文献２では壁面の角度をより鈍角方向に傾けることで、反射フレアーを像面に到達させないようにしている。

また、特許文献３では密着タイプの回折光学素子の格子壁面に遮光手段を設けて、フレアーの発生を防止している。

また、特許文献４の請求項３では硝子と樹脂の境界に回折格子を設けた正の回折光学素子を光学系の絞り又は瞳より像側に配置した場合に、硝子、回折格子、樹脂の順に回折光学素子を構成することで回折効率を高めている。

特開２００２−１５６５８２号公報 特開２００５−２９２５７１号公報 特開２００４−１２６３９４号公報 特開平１１−２７１５１４号公報

SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference (1990)

しかしながら特許文献１の方法は回折格子の格子間隔を広げることで、高輝度光源による不要回折光の低減には一定の効果があるものの、画面外から入射している強い光束については、効果は限定的である。これは、高輝度光源による不要回折光は回折効率の劣化に主に起因して発生しているのに対して画面外からの光によるフレアは主に回折格子の壁面による反射回折光で発生しているためである。

また、特許文献２の壁面の角度をより鈍角方向に傾けることで、反射フレアーを像面に到達させないようにするといった対策は幾何光学的には正しい方法に思える。しかしながら、鈍角に傾けることで透過光の位置を変えることは不要光を減らすことにある程度の効果はあるが、不要回折光のかなりの部分が残ることが最近行った詳細な検討で判明した。これは、回折光学素子の不要光の解析においては幾何光学的計算では不十分な評価であり、光を波として取り扱える厳密な電磁場解析が必要となるからである。実際に厳密結合波解析(RCWA)を行ったところ幾何光学的な光線の追跡では到達し得ない位置に光が到達し、壁面を傾けることだけでは不十分であることが分かってきた。

また、特許文献３のように密着タイプの回折光学素子の格子壁面に遮光手段を設けるといった方法については壁面に遮光部材を設けるためには、加工上の課題も多く、大幅なコスト上昇を招く可能性が強い。

通常の光源の光量が低い場合にはフレアの発生は限定的であり大きな問題となることは少ない。これに対して日中の撮影における太陽光は照度が最大で１０万lxに達するため、注意が必要である。特に逆光時の撮影においては、遮光用のフードを取り付けるといった対策を行うことが多いが、太陽光の撮像光学系への入射角度によっては、フレア発生を引き起こしてしまう。

特に、撮像光学系の前側に回折光学素子を配置した場合には最大画角の外側の２０度以下の比較的低い角度から入射する太陽光のような強い光は、回折光学素子に直接光が当たりやすく、回折光学素子を２次光源としたフレアが発生する。このフレア光が像面へ到達することで、画像のカブリやゴーストといった問題が発生する。

また、特許文献４は回折効率を高める観点での特許であるが、本発明の構成となっている絞りと回折格子の関係についての記載がある。しかしながら、フレアーの抑制の観点での考慮は特に行われていないため、回折格子壁面の方向については記載が無い。また、特許の内容も格子の高さが一定であることを前提としており、入射角度によって格子の高さを変えることで、回折効率の入射角度特性が改善することについては考慮されていない。

本発明は撮像光学系の撮影画面外にある太陽光のような強い光源からの光が回折光学素子に入射する時に発生するフレアを防止し、高い回折効率でかつ回折光学素子の収差補正能力を活用することで良好な画像が得られる撮像光学系を提供する。

本発明は上記の課題に対して、相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより後ろ側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、該回折光学素子の中心から周辺部にかけて全て又は一部の回折光学素子が正のパワーを有し、回折格子は光束の殆どの光透過する位相付加面と位相付加面を繋ぐ格子壁面を有し、該格子壁面の角度は撮像光学系の格子壁面を通過する光束の主光線の方向と光軸方向の間の角度とし、
6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
|nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
を満たした回折光学素子としたことを特徴とする。

本発明の他の発明は相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該回折格子は相対的に低屈折率で高分散の第1材料と高屈折率で低分散の第２材料を密着させて構成し、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより後ろ側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、回折光学素子の中心から周辺部にかけて回折光学素子のパワーの符号が反転し、該回折光学素子の中心から周辺部にかけて全て又は一部の回折光学素子が正のパワーを有し、回折格子は光束の殆どの光透過する位相付加面と位相付加面を繋ぐ格子壁面を有し、該格子壁面の角度は撮像光学系の格子壁面を通過する光束の主光線の方向と光軸方向の間の角度とし、
6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
|nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
を満たした回折光学素子としたことを特徴とする。

また、本発明の他の発明は 相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該回折格子は相対的に低屈折率で高分散の第1材料と高屈折率で低分散の第２材料を密着させて構成し、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより前側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、回折光学素子の中心から周辺部にかけて回折光学素子のパワーの符号が反転し、
6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
|nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
を満たした回折光学素子としたことを特徴とする。

本発明によれば、回折光学素子に高輝度光源の光や太陽光が入射した場合に発生する不要回折光を抑制することで、回折光学素子の収差補正効果を生かしたコンパクトで色収差が良好な撮像光学系の提供が可能となる。

本発明の第１の実施例の光学系の説明図 本発明の第１の実施例の素子断面図 本発明の第１の実施例の１次光の回折効率のグラフ 本発明の第１の実施例の０次光と２次光の回折効率のグラフ 第１の実施例の回折光学素子の格子付近の説明図 本発明を実施しなかった場合の格子付近の説明図 フレネル反射率の説明図 本発明を実施した時不要回折光の説明図 本発明を実施しなかった場合の不要回折光の説明図 本発明の第２実施例の光学系説明図 本発明の第２実施例の回折格子による位相関数説明図 本発明の第２実施例の回折格子の格子形状説明図 本発明の第２実施例の回折光学素子のパワーの説明図 回折格子の格子成形の説明図 本発明の第３実施例の光学系の説明図 本発明の第３実施例の回折光学素子の説明図 本発明の第３実施例の回折格子の格子形状説明図 従来の回折光学素子の上面図 従来の回折光学素子の断面図 従来の回折光学素子の拡大図

「実施例１」
図１は本発明の第1の実施例をレトロフォーカスタイプの広角撮像光学系に適用した場合の光学系の断面図である。

図において、撮像光学系は物体側から像側に順に負の屈折力を有する第1レンズ群１、正の屈折力を有する第2レンズ群２を有する単一焦点距離の光学系である。

第2レンズ群2のレンズ間には開口絞り３が設けられている。開口絞３よりも像側に配置され、CCD等の像面４に最も近い接合レンズ５の接合面は正のパワーの回折光学素子６が設けられている。この回折光学素子により色収差を良好に補正している。

図２は本発明の回折光学素子を示した説明図である。図において２１は光軸、２２は回折光学素子を第2面側に成形する第1のレンズ、２３は回折光学素子を第1面側に成形する成形する第2のレンズ、２４は回折光学素子の第1の回折格子であり、第１の材料により構成されており、屈折率はnd1であり、アッベ数はνd1である。また、２５は第2の回折格子で屈折率はnd2であり、アッベ数はνd2である。２６は回折光学素子の格子面に入射する軸外光の主光線、２７は回折光学素子の壁面を透過した透過光、２８は回折光学素子の壁面により反射された反射光を示している。

本発明においては、回折光学素子のパワーは正のパワーであり、第１の回折格子の材料に高屈折率低分散材料、第2の回折格子の材料に低屈折率高分散材料を使用する。すなわち
nd1 > nd2
νd1 > νd2
としている。

具体的な材料としては高屈折率低分散材料としてはアクリル系の紫外線硬化樹脂(nd=1.52、νd=51)に対してZrO2微粒子を19.9vol%混ぜた材料を使用した。微粒子分散後の高屈折率低分散材料の屈折率はnd=1.608,νd=48.7である。また、低屈折率高分散材料としては同じ紫外線硬化樹脂に対してITOの微粒子分散濃度を12.5vol%とした樹脂を使用した。また、高屈折率低分散材料としては同じ紫外線硬化樹脂に対してZrO2微粒子を19.9vol%混ぜた材料を使用した。この結果、微粒子分散後の低屈折率高分散材料の屈折率はnd=1.565,νd=22.7である。ITO微粒子の混合比率を高めることで、材料としては波長に対して線形の異常分散性を有する（リニア）の異常分散性を有した低アッベ数の材料を提供することが出来る。これにより格子の厚みは13.7μmと比較的に低い格子厚にすることが可能となる。この時の１次光の回折効率を図3に示す。また、設計次数の回折光に隣接する不要回折光(０２次光)の回折効率を図4に示す。１次の回折光が撮像光学系の結像に使用している回折光であり、良好な回折効率を全波長域において維持していることがわかる。また、高輝度光源の周辺に同心円状に発生する不要回折光の原因となる０次光と２次光共に全波長域で小さい値となっていることが分かる。

請求項の（１）式は密着タイプの回折光学素子において、M次光の回折光を高めた回折格子の格子高さd線の波長に対して何倍とするかを示している。この（１）式の上限値を超えると壁面反射が増加してフレアが増加して問題となる。また（１）式の下限値以下については格子壁面起因のフレアの観点からは望ましいが、可視域の全波長範囲で高い回折効率を維持することが困難となり、結果として不要回折光が増加して問題となる。

図１および図２からわかるように絞りより後ろ側に配置した回折光学素子に対する軸外からの光線の入射角度は、素子の上側に入射する光線は下から上に向かう方向に入射する。また、撮像光学系の絞りを絞った時には光束はより細くなり、主光線を中心とした狭い光束となる。一方、回折格子の壁面からのフレア光の画像に対する影響は絞りを絞ったときに顕著に表れるようになる。これは、絞りを絞ると素子に入射する光の入射角度のフレ幅が小さくなり、壁面からのフレアもより指向性を強く有する。このため、狭い範囲にフレアが集まり易くなるためである。従って、絞りを絞った時のフレアの発生を優先して抑制するべきである。このときの素子付近の状況を説明した説明図が図５である。

図において、５１は高屈折率低分散材料にて作成されが第1の回折格子、５２は低屈折率高分散材料で作成された第2の回折格子である。５３は回折格子壁面の方向をしめした補助線、５４は入射角度の負の方向を示した矢印、５５は回折光学素子に入射する入射光線であり、５６は格子壁面による反射光、５７は透過光、５８は回折格子の壁面を示している。なお、実際には反射光、透過光ともに回折の効果により広がりを有しているが、説明のために幾何光学的な光により説明を行う。また、回折格子の壁面５８が起因して不要回折光が発生するため、壁面５８付近の光のみを示して説明を行う。

本発明を実施した場合にはまず入射光は第1の回折格子５１を通過後に第2の回折格子５２に入射し、回折格子の壁面５８に到達する。この時第1の回折格子を構成する材料の屈折率よりも第2の回折格子を構成する材料の方が屈折率が低いために、壁面５８に入射した光はフレネルの法則により反射光と透過光に分離する。

このときの反射光と透過光の割合は第1の材料と第2の材料の屈折率が近いほど透過光の割合が増加する。図７は屈折率とフレネル反射の反射率を示したグラフである。図において、第1の材料の屈折率と第2の材料の屈折率の差Δｎにより反射率がどのように変化するかを示している。実際の回折光学素子の壁面５８の方向は入射光線の方向と平行となるように構成する方が壁面５８による反射光が減るために入射光線に出来るだけ平行となるように構成する。従って、壁面入射角度は大きな値となっており、材料の屈折率差Δｎが大きくなると反射光が大きくなるが、屈折率差Δｎが０．１以下であれば反射光が少なくなり、壁面５８に起因する不要回折光は撮像光学系では殆ど問題のないレベルまで減少する。

図５の格子壁面は図２の光軸にほぼ平行の場合の格子壁面を示している。また、入射光５５は図２の２６の光の主光線を示している。この時の壁面付近の光線の振る舞いは上記に示した通りである。一方、仮に格子壁面５８の方向が図の５４の方向に主光線の角度を超えて傾いた場合には、高屈折率の第1の格子から壁面５８に入射し、壁面の界面においては高屈折率材料から低屈折率材料の方向に入射するため、全反射が発生し強いフレアが発生することになって問題である。従って本実施例のように壁面の角度を主光線の角度より光軸側の角度とする必要がある。また、光軸を超えて回折格子壁面５８を傾けると、回折格子を成形により作成する場合に型と素子が噛んでしまう方向であり離型が難しくなり素子の作成が困難となる。また、壁面８により光線を遮る幅が広くなり、フレアの発生、回折効率の劣化と言った問題が発生する。

図８はこのときの不要回折光の状況をRCWAにて計算した結果である。図において、回折角を横軸、縦軸に回折効率を示している。グラフにおいては回折格子の素子入射角度を−１０度にて計算しているため、回折角10度に一次光の回折ピークが存在する。像面に到達する回折光は０度付近の回折光であり、不要回折光は殆ど像面に到達していないことが分かる。グラフに示したように、回折角に対して左右非対称のフレアが顕著に表れているのは密着タイプの回折光学素子の特徴である。

図６は本発明と異なった構成の回折光学素子の格子付近の説明図である。図において６１は低屈折率高分散材料にて作成されが第1の回折格子、６２は高屈折率低分散材料で作成された第2の回折格子である。６３は回折格子壁面の方向をしめした補助線、６４は入射角度の負の方向を示した矢印、６５は回折光学素子に入射する入射光線であり、６６は格子壁面による反射光を示している。

まず入射光は第1の回折格子６１を通過後に第2の回折格子６２に入射し、回折格子の壁面に到達する。この時第1の回折格子を構成する材料の屈折率よりも第2の回折格子を構成する材料の方が屈折率が高いために、壁面に入射した光の殆どは全反射により強い反射光となって回折光学素子から出射する。

図９はこのときの不要回折光の状況をRCWAにて計算した結果である。図において、回折角を横軸、縦軸に回折効率を示している。グラフにおいては回折格子の素子入射角度を−１０度にて計算しているため、回折角１０度に一次光の回折ピークが存在する。像面に到達する回折光は０度付近の回折光であるが、不要回折光が存在していることがわかる。このときの不要回折光のピークは10度付近にあり、これが反射のピークとなっており、回折によって裾を引いて０度付近に到達していると理解できる。

また、フレアの発生は壁面による反射回折光であるために、壁面自体の数を減らすことが有効な対策となる。具体的には壁面の数を減らすためには回折格子の、格子の間隔であるピッチを広げる必要があり、最小ピッチを300μm以上とすることが有効な手法である。

「実施例２」
図１０は本発明の第2の実施例の説明図である。図において、１０１はマスターレンズ、１０２はリアアタッチメントレンズ、１０３は回折光学素子、１０４は絞り、１０５はＣＣＤ等の像面、１０６は軸上の光束、１０７は最も軸外の光束を示している。リアアタッチメントレンズの倍率は2倍であり、マスターレンズの収差を倍率分増幅するため設計においてはマスターレンズを取り付けた状態にて設計を行う必要がある。特に倍率色収差については、画像の色滲みとなり問題となる。このため、色収差補正に効果がある回折光学素子の中心付近では負のパワーを有し、フレアに影響の大きい周辺は正のパワーを有した回折光学素子１０３を光学系に導入することで良好に色収差を補正した上にフレアの発生を抑制することが可能となる。

図１２は本発明の回折格子の形状を説明した説明図である。図において１２１が光軸、１２２が有効径の最周辺、１２３が負のパワーを有した回折格子、１２４が正のパワーを有した回折格子を示している。また、１２５は第1の回折格子、１２６は第2の回折格子を示している。図に示したように回折格子は密着しており、第1の回折格子は低屈折率高分散材料、第2の回折格子には高屈折率低分散材料を使用する。図に示したように回折格子の形状が正のパワー部分と負のパワー部分では異なった形状となっており、回折格子を成形するためには格子の形状に注意が必要である。

第1実施例に示したように絞りの後ろ側に配置した回折光学素子は正のパワーを有した方がフレア上有利である。しかしながら、収差補正上は負の回折光学素子を入れる方が有利である。本発明においては、倍率色収差補正に対して主要な効果を発揮する光軸を中心とした有効径3/4のエリアについては負のパワーの回折格子とし、周辺部分を正のパワーの回折格子とする。この対策により、通常回折格子のピッチが細かくなる周辺部の回折格子において、フレアの発生を抑制することが可能となる。

図１１は本発明の第2実施例の回折光学素子の位相関数を示している。横軸が径方向の高さであり、縦軸が位相の付加量である。図にしめしたように、光軸からの高さが9.4mm付近で位相が減少に転じている。この時の回折格子による回折角を図１３に示した。図において、光軸方向に回折するときを負としている。図より、光軸から9.4mm付近までは正の値となっており、回折格子のパワーとしては負のパワーとなっていることが分かる。また、9.4mm付近から回折格子の周辺部にかけては正のパワーとなっていることが分かる。

図１２において１２７は負のパワーを有した回折光学素子に入射している光線を示している。既に説明したように軸外の光束の主光線は矢印１２７の方向に入射し、回折格子の壁面に対して高屈折率低分散材料側から入射して、低屈折率高分散材料との境界である壁面により全反射する。これにより反射回折光となる。一方、正のパワー部分の回折格子１２４の部分に入射した光は回折格子の壁面付近で低屈折率高分散材料から高屈折率低分散材料側に入射するためフレネル反射は起こるが殆どの光は透過する。フレネル反射については、高屈折率低分散材料と低屈折率高分散材料の屈折率差を0.1以下にしておくことで大幅に抑制することが出来る。一方、負のパワーの回折格子はピッチの広い領域であるためフレアの発生は少なく問題無いレベルに抑えることが出来る。従って、画像に有害な全反射光起因の反射光は回折格子の負の回折格子部分で発生することになり、発生エリアの面積が減少することと、ピッチの小さくなる周辺部分においては正のパワーの回折格子で発生を抑制できるため大幅なフレア改善が可能となる。

図１４は回折格子を成形する場合の型と回折格子の関係を示した説明図である。図において１４１は型により成形される回折格子、１４８は回折格子を成形するための型である。図において、回折格子は樹脂の液体状態で型に充填され、紫外線硬化等により硬化され型から離型させることで格子形状を作成する。この時樹脂を反らせながら離型をさせることになるが、回折格子の格子形状が回折格子の成形面の面法線方向よりも格子壁面が開いた方向に傾いている方が成形される回折格子の壁面が型の回折格子の壁面と干渉しにくい方向に傾くことになり望ましい。

一方、格子の壁面の方向は光線の通過方向と一致させておく方が望ましい。これは壁面による光線のケラレによる光の損失（シャドー損失）を抑制するためには有利となるためである。これらを考え合わせて、壁面の方向を設定する。既に説明したように撮像光学系において絞りより後ろに回折光学素子を配置した場合には画角の付いた軸外からの光線は素子に対して入射側から出射側に向かって光軸から離れる方向に通過する。このため回折光学素子の壁面の角度は図２にしめしたように光軸から離れる方向に傾けることになる。更に負のパワーの回折格子とするためには入射側の回折格子に低屈折率材料、出射側の回折格子に高屈折率材料を使用した構成としないと、上記の離型性を確保することが出来ない。

これに対して、回折格子の周辺部において、回折格子のパワーの符号を変える場合には格子の周辺部において離型が困難な方向となる。このため周辺部においては離型に有利な形とする必要があり、周辺部の格子壁面形状を面法線方向に合わせる方向に変更する必要がある。逆に面法線方向より更に大きく格子壁面を鈍角方向に傾けると壁面によるシャドー損失が増加して回折効率が劣化する。従って、バランスを考えると格子壁面を面法線付近にすることがベストとなる。

「実施例３」
図１５は本発明の第三の実施例の説明図である。図において１５１は回折光学素子、１５２は絞り、１５３はＣＣＤ等の像面、１５４は画角が付いた光束の最軸外の光束、１５５は軸上の光束を示している。図に示したように超望遠レンズ等のポジティブリードの光学系においては回折光学素子は絞りより前側に回折光学素子を配置した方が収差補正上は有利である。これにより最軸外の光束の主光線については回折光学素子を図の上から下、すなわち入射側から出射側に向かって光軸に近づく方向に進むことになる。

正のパワーの回折光学素子を構成したときは、図１６の構成の回折光学素子が壁面によるシャドー損失を抑制した上に離型性を確保するためには有利となる。図１６において、１６１は光軸、１６２は第１のレンズ１６３は第２のレンズ、１６４は第１の回折格子、１６５は第２の回折格子である。第１の回折格子１６４は低屈折率高分散材料であり、第２の回折格子は高屈折率低分散材料である。

図において、画面外から入射した光線１６６は高屈折率材料と低屈折率材料の境界において全反射をする。この光束が像面に到達すると画像の劣化が発生する。一方、回折光学素子の下側に入射した光線１６７は低屈折率材料と高屈折率材料の界面で全反射はしないがフレネル反射をする。このとき、屈折率差が０．１以下であれば大きな画像の劣化が無く許容範囲内である。具体的な材料としては高屈折率低分散材料としてはアクリル系の紫外線硬化樹脂(nd=1.52、νd=51)に対してZrO2微粒子を19.9vol%混ぜた材料を使用した。微粒子分散後の高屈折率低分散材料の屈折率はnd=1.608,νd=48.7である。この結果、微粒子分散後の低屈折率高分散材料の屈折率はnd=1.565,νd=22.7である。ITO微粒の混合比率を高めることで、材料としてはリニアの異常分散性を有した低アッベ数の材料を提供することが出来る。これにより格子の厚みは13.7μmと比較的に低い格子高さにすることが可能となる。

本発明においては、回折光学素子の光軸からはなれた周辺部において、負のパワーを有した回折光学素子とすることでフレアの発生を抑制する。既に説明したように光線１６６は全反射により画像を劣化させるが、回折光学素子の周辺部を負のパワーとすることで、低屈折率材料から高屈折率材料に入射することになり全反射を抑制することが出来る。更に第１の回折格子の材料と第２の回折格子の材料の屈折率差を0.1以下とすることで、フレネル反射も抑制されるために、フレアの発生を抑制することが可能となる。

図１７は本発明の回折格子の形状を説明した説明図である。図において径方向高さ０が光軸、１７３が正のパワーを有した回折格子、１７４が負のパワーを有した回折格子を示している。また、１７５は第1の回折格子、１７６は第2の回折格子を示している。図に示したように回折格子は密着しており、第1の回折格子１７５は低屈折率高分散材料、第2の回折格子１７６には高屈折率低分散材料を使用する。

図に示したように回折格子の形状が正のパワー部分と負のパワー部分では異なった形状となっており、回折格子を成形するためには格子の形状は第2実施例と同様の注意が必要である。

１７７は正のパワーを有した回折光学素子に入射している光線を示している。既に説明したように軸外の光束の主光線は矢印１７７の方向に入射し、高屈折率低分散材料側から入射して、低屈折率高分散材料との境界である壁面により全反射する。これにより反射回折光となる。一方、負のパワー部分の回折格子１７４の部分に入射した光は回折格子の壁面付近で低屈折率高分散材料から高屈折率低分散材料側に入射するためフレネル反射は起こるが殆どの光は透過する。フレネル反射については、高屈折率低分散材料と低屈折率高分散材料の屈折率差を0.1以下にしておくことで大幅意に抑制することが出来る。従って、画像に有害な全反射光起因の反射光は回折格子の正の回折格子部分で発生することになり、発生エリアの面積が減少することで抑制される。また、本発明の光学系のように回折光学素子で正のパワーをつける場合には位相の付加量は光軸から離れるに従って大きくする必要がある。このため、回折光学素子のピッチは光軸から離れるに従って小さくなる。一方、ピッチが小さい部分は壁面の数が多くフレアを発生させ易い。本発明においては、ピッチの小さくなる周辺部分においては負のパワーの回折格子で発生を抑制できるため、通常の回折光学素子と比較すると大幅なフレア改善が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

本発明は、広い波長域において回折効率を高めた回折光学素子およびそれを用いた撮像光学系に関するものである。

１〜負の屈折力の第１レンズ群
２〜正の屈折力の第２レンズ群
３〜絞り
４〜ＣＣＤ等の像面
５〜回折光学素子を接合面に有すレンズ
６〜回折光学素子

Claims (8)

1. 相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより後ろ側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、該回折光学素子の中心から周辺部にかけて全て又は一部の回折光学素子が正のパワーを有し、回折格子は光束の殆どの光透過する位相付加面と位相付加面を繋ぐ格子壁面を有し、該格子壁面の角度は撮像光学系の格子壁面を通過する光束の主光線の方向と光軸方向の間の角度とし、
   6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
   |nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
   を満たしたことを特徴とする回折光学素子。
2. 相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該回折格子は相対的に低屈折率で高分散の第1材料と高屈折率で低分散の第２材料を密着させて構成し、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより後ろ側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、回折光学素子の中心から周辺部にかけて回折光学素子のパワーの符号が反転し、該回折光学素子の中心から周辺部にかけて全て又は一部の回折光学素子が正のパワーを有し、回折格子は光束の殆どの光透過する位相付加面と位相付加面を繋ぐ格子壁面を有し、該格子壁面の角度は撮像光学系の格子壁面を通過する光束の主光線の方向と光軸方向の間の角度とし、
   6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
   |nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
   を満たしたことを特徴とする回折光学素子。
3. 回折光学素子は光軸付近は負のパワーを有し、周辺部分は正のパワーを有したことを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
4. 相対的に高屈折率で低分散の第1材料と低屈折率で高分散の第２材料の境界面に回折格子を形成した回折光学素子において、該回折格子は相対的に低屈折率で高分散の第1材料と高屈折率で低分散の第２材料を密着させて構成し、該第１の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd1、該第２の材料の使用波長の中心波長における屈折率をnd2、該回折格子の最も回折効率を高めた回折次数をMとした時、該回折光学素子を撮像光学系の絞りより前側に配置し、該第１の材料を光線入射側に配置し、回折光学素子の中心から周辺部にかけて回折光学素子のパワーの符号が反転し、
   6.8 < |M/(nd1-nd2)| < 51.1 〜(1)
   |nd1-nd2| ≦ 0.1 〜(2)
   を満たしたことを特徴とする回折光学素子。
5. 光軸付近は正のパワーを有し、周辺部分は負のパワーを有した回折光学素子としたことを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
6. 回折光学素子の格子と格子の間隔の最小間隔は300μm以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
7. 回折光学素子のパワーの反転する付近の格子壁面のテーパ角度は回折光学素子が配置される光学面の面線方向に対して5度以内にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
8. 回折光学素子は撮像光学系のリアアタッチメントレンズに使用したことを特徴とする請求項乃至請求項３のいずれか１項に記載の回折光学素子。